陆金才
中国水利水电第十四工程有限公司 650041
摘要：本文通过1000KN无粘结压力分散型锚索，在昭通市关河牛栏沟水电站左岸崩塌堆积体高边坡加固工程中的成功应用，介绍其设计概况、施工工艺，以及边坡变形及锚索应力监测方面的应用，并对施工过程及工艺进行了总结分析，为类似工程提供了参考经验。
关键词：崩塌堆积体；边坡加固；1000KN压力分散型锚索；施工工艺；安全监测
压力分散型锚索的力学特征是：内锚段的数个承载板从不同位置调动锚索锚固区的承载能力，逐步衰减至自由段，锚固力可调性范围大。对承载力比较差的软弱破碎岩体，使用压力分散型锚索具有良好的加固效果。
1、工程概况
1.1 工程规模及地点
关河牛栏沟水电牛栏沟水电站，位于横江上游的主要支流关河上的牛栏沟处，左岸为G040国道，右岸为G85水麻高速公路，施工区两岸公路高程均在522.00高程左右，本工程难点在于施工区间确保两岸公路的稳定与安全。相比较左岸边坡因地质构造复杂岩层及其破碎对G040国道的影响最大也是本工程施工的最难点。主体建筑物布置在坝上0-024.00～坝下0+108.0桩号段，高程为EL452.70～EL507.80，左岸边坡锚索支护区为坝上0-020.00～坝下0+080.00桩号，左岸边坡以后布置有一孔导流兼泄洪道及副厂房等。左岸边坡开挖高程为EL464.00～EL523.0（G040国道），左岸边坡在EL494.0和EL485.0高程设有宽约2.0米马道，原始边坡坡度约1：1.5，设计开挖坡度为EL494.0高程以上为1：1.0，EL494.0～EL485.0高程为1：0.85，EL485.0高程以下为1：0.85。
1.2 边坡地质情况
据勘测枢纽建筑物布置地段的左岸山坡在040国道以上分布有三级平台，台面保留完整，地貌形态与其上、下游地形地貌形态相一致。
左岸山坡的堆积物主要可分为两层，1）490m高程以上山坡堆积体（人工堆积土散布在表层坡体上）主要为崩、坡积成因的碎石、砾石及块石、粉质粘土、砂土夹孤石、大块石，一般厚12m～44m，堆积土中孤石、块石、碎砾石母岩主要以灰岩为主，少量为粉砂岩、泥灰岩；2）、490m高程至464m高程边坡主要分布泥质粉砂岩岩块（③层）、碎石质土层（④层），厚约20～37m，该层成份单一，全部为泥质粉砂岩，未发现含有灰岩碎、块石，碎石质土层呈透镜状，分布不连续，堆积体结构紧密，透水性弱；古河床冲洪积漂石、卵砾石层厚约1.8~5.7m。经钻孔揭露，第③层泥质粉砂岩岩块层直接堆积于古河床冲积层上（ZK1-2在冲积层上为粘土），冲洪积层与下伏基岩相接触。从钻孔与开挖边坡观察，边坡堆积体内可见多次堆积迹象，不同成分的堆积物可见较明显的界线。在钻孔ZK3-1后缘开挖面及导流渠进、出口段开挖后边坡等多处发现泥质粉砂岩岩块层（③层）堆积凌乱，未呈层状分布。
1.3锚索设计情况
因牛栏沟电站左岸边坡地质状况十分复杂，在原可研资料的基础上在边坡地质结构定性及开挖支护方案拟定过程中请教了权威人士进行现场指导，并采取钻勘探孔、打地质探洞等勘探工作，并根据地质资料请专业人士进行了建模稳定分析。最终拟定了牛栏沟水电站左岸边坡开挖支护方案。
根据左岸边坡地质情况抗滑稳定受力分析，EL494.00高程设有1.5米宽马道，在EL494～EL510高程设置1000KN，L=40m、35m、25m。压力分散型锚索53根，在EL472.00～EL508.0高程设置1000KN，L=25m、35m、40m、45m全粘结锚索125根，
从左岸边坡支护施工工艺及支护效果出发，本文将从1000KN无粘结压力分散型锚索的设计概述及施工工艺进行分析阐述。
锚索之间采用框格粱连接，框格粱断面尺寸为50cm×50cm，有混凝土贴坡段的锚墩为100cm×100cm。左岸边坡锚索支护区典型断面见图1。
100t级锚索设计要求的设计参数为：锚索由7根钢绞线组成，公称直径Ф15.24mm，标准强度1860Mpa；锚索孔径为Ф130mm，采用4级承载板承压，间距2.5m，承压板直径Ф100mm，第1级为2根钢绞线（编号为1-1、1-2），第2级为2根钢绞线（编号为2-1、2-2），第3级为2根钢绞线（编号为3-1、3-2），第4级为1根钢绞线（编号为4-1）钢绞线长度每级减少2.5m；注浆采用42.5R水泥，净压力0.3～0.5MPa，浆液胶凝体N40净浆，采用一次性灌浆。锚具和夹片采用HVM90型，
2、1000KN压力分散型锚索工艺控制
2.1 基本施工工序
施工平台搭设→布孔→编索→造孔→清孔、验孔→安装锚索→注浆→网格梁砼浇筑及锚墩制作→安装外锚头→张拉→验收→封锚
2.2布孔、钻孔施工
造孔前先根据设计图，使用测量仪器按设计要求将锚孔孔位准确地测放到边坡坡面上，做好孔位标记。本工程压力分散型锚索的间排距为4m×4m。
因左岸边坡地质较差，使用普通钻机塌孔比较严重，本工程钻孔采用MD60-A型跟管钻机，使用跟管钻机可有效的避免塌孔和减少锚索孔注浆固璧等工序。设计的孔径为140mm，供风采用寿力LS-25（25m3/min），阿特拉斯320型（20m3/min）空压机进行供风，146mm的钻头。跟管直径为150mm，锚索孔的俯角为5度。
2.3 索体的制作及安装
编索工艺：下料、清洗 →编束→安装隔离架、支撑环→安装注浆管→验收→库存。
（1）压力分散型锚索制作前应对钻孔实际长度进行测量，计算并截取出每级承载体对应的钢绞线，并对不同位置处的承载体（4级）相对应的钢绞线外露端采用打磨机打磨出标记，以便后续张拉工作的正确进行。
（2）下料要求用砂轮切割机切割，下好料以后，按图纸要求设置好隔离架，每1.5米放一个。锚索编束前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，对有死弯，机械损伤处应剔出，无粘结绞线外套PE管不得有破损。索体绑扎要求牢固，使钢绞线不互相缠绕，平行顺直。
（3）内锚头钢绞线挤压套由挤压套筒和钢丝衬套组成，钢绞线传入承载体后挤压并设置好承载体，挤压套中钢绞线伸入长度不小于10cm，挤压套的挤压力为20~53MPa，并按照3%进行抽检。
（4）按照图纸要求，承压板直径Φ100mm，保护罩直径为Φ79mm，锚索保护罩和导向帽内填充3#无粘结预应力筋专用防腐油脂。检查合格后的锚索标识好以后分区存放，同时做好防雨、防晒工作。
锚索安装：锚索安装时先不要取出套管，以保证索体顺畅进入，并注意钢绞线自由段保护胶皮不要受损坏，下索过程中要保证进入孔内的索体顺直以保证锚索张拉时受力均匀，锚索安装完毕后使用千斤顶取出套管，取完套管后及时进行灌浆，以防止塌孔影响注浆效果。
2.4 锚索注浆
根据施工情况注浆搅拌设备选用ZJ400高速搅拌机和SGB-6-10型高压灌浆机
（1）注浆采用水泥净浆，浆液配制按照试验配合比进行，浆液水灰比为1：0.42、1：0.50，注浆净压力为0.3～0.5MPa。因岩体比较破碎，为了使锚固端胶结更好先增加锚固端的锚固力注浆时先采用1：0.5的浆液，随后再采用1：0.42浆液注浆，单孔平均耗灰量为约为18吨。
（2）浆液采用ZJ400高速搅拌机配制，浆液采用高速搅拌机搅拌，搅拌时间不少于2min。根据设计图纸要求，当回浆浆液比重与进浆浆液比重相同、吸浆量小于1L/min时，稳压闭浆20min，回浆压力应达到0.5MPa
（3）灌浆结束标准：回浆量比重不小于进浆量，稳压10min，孔内不再吸浆，即进、排浆量一致。
2.5 锚索张拉
2.5.1 张拉设备
张拉时必须在锚体注浆和锚墩混凝土龄期大于7天后才能进行。张拉设备，按照张拉工艺，现场设备采用型号为YCW -250B千斤顶，主要技术参数为额定拉力2500KN，额定油压60MPa，配用油泵为ZB4-500型电动油泵。张拉设备使用前进行拟定，拟定关系曲线为N=42.931P+38.546 R2=0.9989。
2.5.2 张拉参数确定
张拉参数每一级没组钢绞线的张拉值根据其长度及钢绞线弹性模量及面积等计算得来。计算参数见表1.
2.5.3 工艺过程
根据压力分散型锚索结构特点及规范要求，根据每根锚索设计的4个承载体，按每个承载体为一级，根据承载体7根钢绞线 分4组（即：第一级1-1、1-2两根为第1组，第二级2-1、2-2两根为第2组，第三级3-1、3-2两根为第3组，第四级4-1一根为第4组），4序（即：50%P[500KN]、75%P[750KN]、100%P[1000KN]、110%P[1100KN]）进行张拉，（具体参数见表1-2），分级张拉前先对每级承载体的单束钢绞线进行25KN的预紧张拉。
为了充分了解锚索张拉过程中的受力情况，根据图纸，本工程共设置了3个100t级的锚索测力计，编号为：MD-01～MD-03，测力计采用钢弦式测力计，型号为SDM-1000KN。锚索张拉48h内应力损失不超过锁定荷载的10%视为稳定，否则对对应区域的锚索进行二次补偿张拉。
①张拉时根据每组编号及对应的张拉参数按1组～4组顺序进行第一序50%P张拉，张拉值为157KN、143KN、136KN、64KN，第一序张拉完成后进行第二50%P张拉……，依次完成1～4序锚索张拉。
②按照上述张拉方法依次完成锚索2~5级的张拉，在张拉过程中同步测量单根锚索的伸长值并按要求做好记录。另外，安装锚索测力计的锚索，除了上述工作外，每级张拉完成后应观测锚索的受力读数。
③加载、稳压和卸载速率，按照设计图纸要求，做好张拉过程控制工作，具体控制方法为：单根锚索张拉的加载速率为44KN/min，减载速率为50KN/min，1~5级分别按照为0.5min、1.5min、2min、3min、3.5min来加载，按0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min进行稳压。卸载时间为0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min。单根100t锚索张拉时间约为150min。
2.5.4 补偿张拉。
应力损失比较明显，千斤顶张拉系统已经不能真实的反映锚索受力情况，必须以测力计为准，通过补偿张拉确保锚索测力符合设计要求。通过494高程以上边坡3个100t级锚索测力计张拉数据的分析，测算出锚索平均应力损失值为11.4%，在锚索张拉完成以后，以测力计为准进行应力控制，确保锚索测力计的测值符合设计要求，最终按照这一值对其它锚索进行补偿张拉。
3、施工期安全监测
牛栏沟水电站锚索施工从2010年4月开始于2010年9月结束，根据本工程的特点，锚索张拉过程的安全监测包括两部分，一是锚索应力监测，二是边坡稳定性监测，具体如下：
3.1 锚索应力观测
3.1.1 锚索监测仪器的选型、布置、埋设
测力计采用钢弦式测力计，型号为SDM-1001KN，量程为100t，精度为+0.3%F.S.，选用昆明畅唯银河科技公司生产的CTY-403读数仪进行测读，该设备具有时间、日期、温度自动记录，测量范围：400Hz~5000Hz，5V方波，测量精度：0.01%。494高程平以上边坡的51根压力分散型锚索共设置了3个锚索测力计，分为3个断面，测力计编号为MD-1~3。
待锚索内锚固段与承压垫座混凝土的承载强度达到设计要求后，在锚索张拉前，将锚索测力计安装在孔口垫板上，并将测力计专用的传力板安装在孔口垫板上，要求垫板与锚板平整光滑，并与测力计上下面紧密接触，测力计或传力板与孔轴线垂直，其倾斜度应小于1°，偏心不大于3mm。埋设初期，每天观测1次，观测一周后每周观测3次，连续观测1月后每周观测1次。
3.1.2 锚索监测成果分析
通过锚索张拉跟踪观测，以下以MD-3号锚索测力计对应锚索的补偿张拉为例进行分析。MD-3号锚索测力计设计张拉荷载为1000KN，2010年9月22日张拉锁定后测力计的测值为976.4KN。结合其它锚索的张拉情况分析，造成锚索应力损失的原因有：千斤顶张拉过程中产生的应力损失（钢绞线回缩）的累加效应、以及结构面之间的挤压变形松弛效应（锚墩及框格梁混凝土和基岩面之间的3个结构面），出现了锚索实际所受的力（锚索测力计所测的）比锚索名义上所受的力小（千斤顶张拉系统所测的）的情况。鉴于上述情况，千斤顶张拉系统已经不能反映锚索的真实受力情况，因此，必须以锚索测力计为主进行补偿，以确保锚索测力符合设计要求。
2010年9月24日对MD-3号锚索测力计对应锚索的补偿张拉，补偿标准为设计值的110%，即千斤顶张拉总荷载为1100KN，补张拉后测力计显示的锁定值为1001.8kN，满足设计要求，截至2011年3月23日测力计监测荷载为935.9KN。具体数据见表2
锚索张拉是对锚索整体施工质量进行分析与判别的主要方法，能够最直观的了解锚索的受力情况。2010年9月28日494高程以上边坡的51根压力分散型锚索全部张拉完毕，截至2011年3月23日，所有锚索张拉稳定后的测力计测值均符合要求（不小于设计张拉力的90%），锚索施工质量良好。
3.2边坡稳定观测
边坡稳定观测主要采取以下两种手段：其一为深部变形观测，其二为表观位移观测，通过观测了解锚索张拉过程中边坡的稳定情况。
3.2.1深部变形观测
在锚索施工期间，按照设计要求在494高程至G040国道之间边坡分别在EL523.00、EL503.00、EL494.00高程分别布置3个测斜进行观测，编号分别为CXP01～03，在EL497.00高程埋设1套多点变位计（SDW-1），根据观测数据张拉前后无明显变化（观测成果见图3）。边坡位移变化的速率及累计位移处于可控范围，边坡处于稳定状态。
3.2.2表观位移观测
水平变形观测。通过右岸521.00平台控制网上的测量基点（分别为JP01和1 JP02号），采用全站仪（GPT-3002LN，标称精度为1.6mm）进行边角交汇法观测，494高程以上边坡上的16个水平位移测点的坐标，观测桩编号分别为：TP-1～16，以了解水平变形情况。
设计要求494高程以上边坡在锚索张拉前观测一次水平、垂直位移，张拉过程中水平位移每月观测一次，垂直位移每天观测2次。水平位移观测精度为±3mm，垂直位移采用二等水准点。
根据上述要求，总共进行了10次水平位移观测，60次垂直位移观测，观测结果显示水平位移与初值偏差为3mm，垂直位移与初值偏差为1mm～4mm。494高程以上边坡，边坡处于稳定状态。
4、结语
根据关河牛栏沟电站左岸边坡地质构造复杂，岩层破碎无规律的特征，结合压力锚索更可避免锚固段的压应力集中，使锚固段应力分布更
趋均匀，在锚索内锚段受力结构不好但又需要提高供较高锚固力的部位比较合适。
目前，本工程的左岸边坡开挖支护完成已7个月，通过对锚索测力计和边坡变形观测设备的监测数据的分析，破碎段高边坡处于稳定状态，边坡加固效果良好。根据本工程的经验，对于破碎岩体边坡、断层、裂隙发育地段，采用压力分散型锚索可大大提高边坡的稳定性与可靠性，同时，采用合理有效的安全监测手段也是极为必要的，可以加以推广应用。
参考文献：
[1]华东水利学院主编.水工设计手册.水利水电出版社。
[2]SL46-94，水工预应力锚固施工规范[S].
[3]《滑坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0219-2006）.
[4]《中小型水利水电工程地质勘察规范》（SL55—2005）；
论文作者:陆金才
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期供稿
论文发表时间:2015/12/1
标签：测力计论文; 高程论文; 位移论文; 锚固论文; 压力论文; 岸边论文; 浆液论文; 《基层建设》2015年17期供稿论文;